Процесс Орнштейна – Уленбека
В математике процесс Орнштейна-Уленбека представляет собой случайный процесс, имеющий приложения в финансовой математике и физических науках. Первоначальное его применение в физике заключалось в моделировании скорости массивной броуновской частицы под действием трения. Он назван в честь Леонарда Орнштейна и Джорджа Юджина Уленбека .
Процесс Орнштейна-Уленбека является стационарным процессом Гаусса-Маркова , что означает, что это гауссов процесс , марковский процесс и он однороден во времени. Фактически, это единственный нетривиальный процесс, который удовлетворяет этим трем условиям, вплоть до возможности линейных преобразований пространственных и временных переменных. [1] Со временем процесс имеет тенденцию приближаться к своей средней функции: такой процесс называется возвратом к среднему значению .
Этот процесс можно рассматривать как модификацию случайного блуждания в непрерывном времени или процесса Винера , в котором свойства процесса были изменены так, что существует тенденция блуждания вернуться к центральному местоположению с большее притяжение, когда процесс находится дальше от центра. Процесс Орнштейна – Уленбека также можно рассматривать как временем с непрерывным аналог процесса AR(1) .
Определение
[ редактировать ]Процесс Орнштейна – Уленбека определяется следующим стохастическим дифференциальным уравнением :
где и являются параметрами и обозначает винеровский процесс . [2] [3] [4]
Иногда добавляется дополнительный термин дрейфа:
где является константой. Процесс Орнштейна – Уленбека иногда также записывают как уравнение Ланжевена вида
где , также известный как белый шум , заменяет предполагаемую производную Винеровского процесса. [5] Однако, не существует, поскольку винеровский процесс нигде не дифференцируем, [6] и поэтому уравнение Ланжевена имеет смысл только в том случае, если его интерпретировать в смысле распределения. В физике и инженерных дисциплинах это обычное представление процесса Орнштейна-Уленбека и подобных стохастических дифференциальных уравнений, молчаливо предполагающее, что шумовой член является производной дифференцируемой (например, Фурье) интерполяции винеровского процесса.
Представление уравнения Фоккера – Планка
[ редактировать ]Процесс Орнштейна – Уленбека также можно описать с помощью функции плотности вероятности: , задающий вероятность нахождения процесса в состоянии во время . [5] Эта функция удовлетворяет уравнению Фоккера–Планка
где . Это линейное параболическое уравнение в частных производных , которое можно решить различными методами. Вероятность перехода, также известная как функция Грина , является гауссовой функцией со средним значением и дисперсия :
Это дает вероятность состояния происходит во время данное начальное состояние во время . Эквивалентно, является решением уравнения Фоккера–Планка с начальным условием .
Математические свойства
[ редактировать ]При условии определенного значения , среднее значение
и ковариация
Для стационарного (безусловного) процесса среднее является и ковариация и является .
Процесс Орнштейна-Уленбека является примером гауссова процесса , который имеет ограниченную дисперсию и допускает стационарное распределение вероятностей , в отличие от процесса Винера ; разница между ними заключается в их термине «дрейф». Для процесса Винера член дрейфа является постоянным, тогда как для процесса Орнштейна – Уленбека он зависит от текущего значения процесса: если текущее значение процесса меньше (долгосрочного) среднего значения, дрейф будет позитивный; если текущее значение процесса превышает (долгосрочное) среднее значение, дрейф будет отрицательным. Другими словами, среднее значение действует как уровень равновесия для процесса. Это дало процессу информативное название «возврат к среднему».
Свойства образцов путей
[ редактировать ]Однородный во времени процесс Орнштейна – Уленбека можно представить как масштабированный, преобразованный во времени процесс Винера :
где стандартный винеровский процесс. Это примерно соответствует теореме 1.2 из Doob 1942 . Эквивалентно, с заменой переменной это становится
Используя это отображение, можно перевести известные свойства в соответствующие утверждения для . Например, закон повторного логарифма для становится [1]
Формальное решение
[ редактировать ]Стохастическое дифференциальное уравнение для может быть формально решена вариацией параметров . [7] Письмо
мы получаем
Интеграция из к мы получаем
после чего мы видим
, что первый момент Из этого представления видно (т. е. среднее значение) равен
предполагая является постоянным. Более того, изометрию Ито можно использовать для расчета ковариационной функции по формуле
Поскольку интеграл Ито детерминированного подынтегрального выражения нормально распределен, отсюда следует, что [ нужна ссылка ]
Уравнения Колмогорова
[ редактировать ]генератор Бесконечно малый процесса [8] Если мы позволим , то уравнение собственных значений упрощается до: которое является определяющим уравнением для полиномов Эрмита . Его решения , с , что означает, что среднее время первого прохождения частицы до точки на границе составляет порядка .
Численное моделирование
[ редактировать ]Используя дискретно выбранные данные с интервалами времени шириной , оценки максимального правдоподобия для параметров процесса Орнштейна – Уленбека асимптотически нормальны к своим истинным значениям. [9] Точнее, [ не удалось пройти проверку ]
Чтобы смоделировать процесс OU численно со стандартным отклонением и время корреляции , один из методов — применить формулу конечных разностей
где представляет собой нормально распределенное случайное число с нулевым средним значением и единичной дисперсией, отбираемое независимо на каждом временном шаге. . [10]
Интерпретация предела масштабирования
[ редактировать ]Процесс Орнштейна-Уленбека можно интерпретировать как предел масштабирования дискретного процесса, точно так же, как броуновское движение является пределом масштабирования случайных блужданий . Рассмотрим урну, содержащую синие и желтые шарики. На каждом этапе случайным образом выбирается шар и заменяется шаром противоположного цвета. Позволять будет количество синих шаров в урне после шаги. Затем по закону сходится к процессу Орнштейна – Уленбека как стремится к бесконечности. Это было получено Марком Кацем . [11]
Эвристически это можно получить следующим образом.
Позволять , и мы получим стохастическое дифференциальное уравнение в предел. Первый вывод Благодаря этому мы можем вычислить среднее значение и дисперсию , что оказывается и . Таким образом, на предел, у нас есть , с решением (полагая распределение стандартное нормальное) .
Приложения
[ редактировать ]По физике: шумная релаксация
[ редактировать ]Процесс Орнштейна-Уленбека является прототипом шумного процесса релаксации . Канонический пример — пружина Гука ( гармонический осциллятор ) с жесткостью пружины чья динамика перезаглушена с коэффициентом трения . При наличии тепловых колебаний с температурой , длина пружины колеблется вокруг длины покоя пружины ; его стохастическая динамика описывается процессом Орнштейна–Уленбека с
где выводится из уравнения Стокса – Эйнштейна для эффективной константы диффузии. [12] [13] Эта модель была использована для характеристики движения броуновской частицы в оптической ловушке . [13] [14]
В состоянии равновесия пружина сохраняет среднюю энергию в соответствии с теоремой о равнораспределении . [15]
По финансовой математике
[ редактировать ]Процесс Орнштейна-Уленбека используется в Васичека . модели процентной ставки [16] Процесс Орнштейна-Уленбека — один из нескольких подходов, используемых для стохастического моделирования (с модификациями) процентных ставок, курсов обмена валют и цен на сырьевые товары. Параметр представляет собой равновесное или среднее значение, поддерживаемое фундаментальными показателями ; степень волатильности вокруг него, вызванная шоками , и скорость, с которой эти потрясения рассеиваются и переменная возвращается к среднему значению. Одним из применений этого процесса является торговая стратегия, известная как парная торговля . [17] [18] [19]
Дальнейшая реализация процесса Орнштейна-Уленбека была предложена Марчелло Миненной для моделирования доходности акций в условиях динамики логнормального распределения . Это моделирование направлено на определение доверительного интервала для прогнозирования явлений рыночного злоупотребления . [20] [21]
В эволюционной биологии
[ редактировать ]Процесс Орнштейна-Уленбека был предложен как улучшение модели броуновского движения для моделирования изменения фенотипов организма с течением времени. [22] Модель броуновского движения предполагает, что фенотип может двигаться без ограничений, тогда как для большинства фенотипов естественный отбор требует платы за слишком далекое движение в любом направлении. Метаанализ 250 временных рядов ископаемых фенотипов показал, что модель Орнштейна-Уленбека лучше всего подходит для 115 (46%) исследованных временных рядов, подтверждая застой как общую эволюционную закономерность. [23] Тем не менее, существуют определенные проблемы с его использованием: механизмы выбора модели часто склонны отдавать предпочтение процессу OU без достаточной поддержки, а ничего не подозревающий специалист по данным легко может неверно истолковать его. [24]
Обобщения
[ редактировать ]Можно определить управляемый Леви процесс Орнштейна – Уленбека , в котором фоновым движущим процессом является процесс Леви, а не процесс Винера: [25] [26]
Здесь дифференциал винеровского процесса заменен дифференциалом процесса Леви .
Кроме того, в финансах используются стохастические процессы, при которых волатильность увеличивается при больших значениях . В частности, процесс CKLS (Чан-Каройи-Лонгстафф-Сандерс) [27] с заменой термина волатильности на можно решить в закрытом виде для , а также для , что соответствует обычному процессу OU. Другим частным случаем является , что соответствует модели Кокса–Ингерсолла–Росса (CIR-модель).
Высшие измерения
[ редактировать ]Многомерная версия процесса Орнштейна – Уленбека, обозначаемая N -мерным вектором. , можно определить из
где является N -мерным винеровским процессом, и и являются постоянными размера N × N. матрицами [28] Решение
и среднее значение
В этих выражениях используется матричная экспонента .
Процесс также можно описать с помощью функции плотности вероятности , которое удовлетворяет уравнению Фоккера–Планка [29]
где матрица с компонентами определяется . Что касается 1d случая, то процесс представляет собой линейное преобразование гауссовских случайных величин и, следовательно, сам должен быть гауссовским. В связи с этим вероятность перехода является гауссианой, которую можно записать явно. Если действительные части собственных значений больше нуля, стационарное решение более того, существует, учитывая
где матрица определяется из уравнения Ляпунова . [5]
См. также
[ редактировать ]- Стохастическое исчисление
- Винеровский процесс
- Гауссов процесс
- Математические финансы
- Модель Васичека процентных ставок
- Краткосрочная модель
- Диффузия
- Теорема о флуктуации-диссипации
- Уравнение Клейна – Крамерса
Примечания
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Холост в 1942 году .
- ^ Карацас и Шрив 1991 , с. 358.
- ^ Гард 1988 , с. 115.
- ^ Гардинер 1985 .
- ^ Jump up to: а б с Риск 1989 .
- ^ Лоулер 2006 .
- ^ Гардинер 1985 , стр. 106.
- ^ Холмс-Серфон, Миранда (2022). «Лекция 12: Подробные методы баланса и собственных функций» (PDF) .
- ^ Айт-Сахалия 2002 , стр. 223–262.
- ^ Клоден, Платен и Шурц 1994 .
- ^ Иглхарт 1968 .
- ^ Nørrelykke & Flyvbjerg 2011 .
- ^ Jump up to: а б Герлих и др. 2021 .
- ^ Ли и др. 2019 .
- ^ Нельсон 1967 .
- ^ Бьорк 2009 , стр. 375, 381.
- ^ Люнг и Ли, 2016 .
- ^ Преимущества парной торговли: рыночный нейтралитет
- ^ Схема Орнштейна-Уленбека для парной торговли
- ^ «Обнаружение злоупотреблений на рынке» . Журнал «Риск». 2 ноября 2004 г.
- ^ «Выявление рыночных злоупотреблений на финансовых рынках: количественный подход» . Consob – Итальянская комиссия по ценным бумагам и биржам.
- ^ Мартинс 1994 , стр. 193–209.
- ^ Хант 2007 .
- ^ Корнуолл 2022 .
- ^ Йесперсен, Мецлер и Фогедби 1999 .
- ^ Финк и Клуппельберг 2011 .
- ^ Чан и др. 1992 год .
- ^ Гардинер 1985 , стр. 109.
- ^ Гардинер 1985 , стр. 97.
Ссылки
[ редактировать ]- Айт-Сахалия, Ю. (апрель 2002 г.). «Оценка максимального правдоподобия дискретно выбранной диффузии: подход аппроксимации в закрытой форме». Эконометрика . 70 (1): 223–262. дои : 10.1111/1468-0262.00274 .
- Биббона, Э.; Панфило, Г.; Тавелла, П. (2008). «Процесс Орнштейна-Уленбека как модель белого шума с фильтрацией нижних частот». Метрология . 45 (6): С117–С126. Бибкод : 2008Метро..45С.117Б . дои : 10.1088/0026-1394/45/6/S17 . hdl : 2318/58227 . S2CID 56160285 .
- Бьорк, Томас (2009). Теория арбитража в непрерывном времени (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-957474-2 .
- Чан, КЦ; Каройи, Джорджия; Лонгстафф, ФА; Сандерс, AB (1992). «Эмпирическое сравнение альтернативных моделей краткосрочной процентной ставки» . Журнал финансов . 47 (3): 1209–1227. дои : 10.1111/j.1540-6261.1992.tb04011.x .
- Корнюо, Жослен (2022). «Байесовский анализ сравнительных данных с помощью модели Орнштейна – Уленбека: потенциальные ловушки» . Систематическая биология . 71 (6): 1524–1540. дои : 10.1093/sysbio/syac036 . ПМЦ 9558839 . ПМИД 35583306 .
- Дуб, Дж. Л. (апрель 1942 г.). «Броуновское движение и стохастические уравнения». Анналы математики . 43 (2): 351–369. дои : 10.2307/1968873 . ISSN 0003-486X . JSTOR 1968873 .
- Финк, Хольгер; Клуппельберг, Клаудия (01 февраля 2011 г.). «Дробные процессы Орнштейна – Уленбека, управляемые Леви, и стохастические дифференциальные уравнения». Бернулли . 17 (1). arXiv : 1102.1830 . дои : 10.3150/10-bej281 . ISSN 1350-7265 . S2CID 9269536 .
- Хант, Г. (14 ноября 2007 г.). «Относительная важность изменения направления, случайных блужданий и стаза в эволюции ископаемых линий» . Труды Национальной академии наук . 104 (47): 18404–18408. дои : 10.1073/pnas.0704088104 . ISSN 0027-8424 . ПМК 2141789 . ПМИД 18003931 .
- Гард, Томас К. (1988), Введение в стохастические дифференциальные уравнения , Марсель Деккер, ISBN 978-0-8247-7776-0
- Гардинер, Криспин В. (1985), Справочник по стохастическим методам (2-е изд.), Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-15607-1
- Гиллеспи, DT (1996). «Точное численное моделирование процесса Орнштейна – Уленбека и его интеграла» . Физ. Преподобный Е. 54 (2): 2084–2091. Бибкод : 1996PhRvE..54.2084G . дои : 10.1103/PhysRevE.54.2084 . ПМИД 9965289 .
- Иглхарт, Дональд Л. (июнь 1968 г.). «Предельные теоремы для модели Эренфеста с несколькими урнами» . Анналы математической статистики . 39 (3): 864–876. дои : 10.1214/aoms/1177698318 . ISSN 0003-4851 .
- Карацас, Иоаннис; Шрив, Стивен Э. (1991), Броуновское движение и стохастическое исчисление (2-е изд.), Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-97655-6
- Гёрлих, Реми; Ли, Минхао; Альберт, Сэмюэл; Манфреди, Джованни; Эрвье, Поль-Антуан; Жене, Сириак (19 марта 2021 г.). «Шум и эргодические свойства броуновского движения в оптическом пинцете: рассмотрение пересечений режимов в процессе Орнштейна-Уленбека». Физический обзор E . 103 (3): 032132. arXiv : 2007.12246 . Бибкод : 2021PhRvE.103c2132G . дои : 10.1103/physreve.103.032132 . ISSN 2470-0045 . ПМИД 33862817 . S2CID 220768666 .
- Йесперсен, Суне; Мецлер, Ральф; Фогедби, Ганс К. (1 марта 1999 г.). «Полёты Леви во внешних силовых полях: уравнения Ланжевена и дробные уравнения Фоккера-Планка и их решения». Физический обзор E . 59 (3): 2736–2745. arXiv : cond-mat/9810176 . Бибкод : 1999PhRvE..59.2736J . дои : 10.1103/physreve.59.2736 . ISSN 1063-651X . S2CID 51944991 .
- Клоден, Питер Э.; Платен, Экхард; Шурц, Анри (1994). Численное решение СДУ посредством компьютерных экспериментов . Берлин: Springer Verlag. ISBN 3-540-57074-8 . OCLC 29788831 .
- Лоулер, Грегори Ф. (2006). Введение в случайные процессы (2-е изд.). Чепмен и Холл/CRC. ISBN 978-1584886518 .
- Люнг, Тим; Ли, Синь (2016). Оптимальная торговля с возвратом к среднему: математический анализ и практические приложения . Всемирной научной издательской компании ISBN 978-9814725910 .
- Люнг, Тим; Ли, Синь (2015). «Оптимальная торговля с возвратом к среднему с транзакционными издержками и выходом со стоп-лоссом». Международный журнал теоретических и прикладных финансов . 18 (3): 1550020. arXiv : 1411.5062 . дои : 10.1142/S021902491550020X .
- Ли, Минхао; Сентисси, Усман; Аззини, Стивен; Шнеринг, Габриэль; Канагье-Дюран, Энтони; Жене, Сириак (10 декабря 2019 г.). «Субфемтоньютоновые силовые поля, измеренные с помощью эргодических броуновских ансамблей». Физический обзор А. 100 (6): 063816.arXiv : 1908.00610 . Бибкод : 2019PhRvA.100f3816L дои : 10.1103/physreva.100.063816 . ISSN 2469-9926 . S2CID 199405409 .
- Мартинс, Эмилия П. (1994). «Оценка скорости фенотипической эволюции на основе сравнительных данных». Американский натуралист . 144 (2): 193–209. дои : 10.1086/285670 . ISSN 0003-0147 . S2CID 85300707 .
- Нёрреликке, Саймон Ф.; Фливбьерг, Хенрик (4 апреля 2011 г.). «Гармонический осциллятор в тепловой ванне: точное моделирование данных, записанных в режиме замедленной съемки, и точная аналитическая статистика». Физический обзор E . 83 (4): 041103. arXiv : 1102.0524 . Бибкод : 2011PhRvE..83d1103N . дои : 10.1103/physreve.83.041103 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 21599111 . S2CID 18518657 .
- Рискен, Х. (1989). Уравнение Фоккера–Планка: методы решения и приложения . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-0387504988 .
- Нельсон, Эдвард (1967). Динамические теории броуновского движения (PDF) . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. ISBN 0-691-07950-1 . OCLC 769464 .
- Уленбек, GE; Орнштейн, Л.С. (1930). «К теории броуновского движения». Физ. Преподобный . 36 (5): 823–841. Бибкод : 1930PhRv...36..823U . дои : 10.1103/PhysRev.36.823 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Инструментарий стохастических процессов для управления рисками , Дамиано Бриго, Антонио Далессандро, Матиас Нойгебауэр и Фарес Трики
- Моделирование и калибровка процесса Орнштейна–Уленбека , М.А. ван ден Берг
- Оценка максимального правдоподобия процессов, возвращающихся к среднему , Хосе Карлос Гарсиа Франко
- «Интерактивное веб-приложение: случайные процессы, используемые в количественных финансах» . Архивировано из оригинала 20 сентября 2015 г. Проверено 3 июля 2015 г.